JPH038587B2 - - Google Patents
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- JPH038587B2 JPH038587B2 JP59105889A JP10588984A JPH038587B2 JP H038587 B2 JPH038587 B2 JP H038587B2 JP 59105889 A JP59105889 A JP 59105889A JP 10588984 A JP10588984 A JP 10588984A JP H038587 B2 JPH038587 B2 JP H038587B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- circuit board
- circuit
- cooling
- semiconductor element
- recess
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
- H10W40/70—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control
- H10W40/73—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control for cooling by change of state
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W90/00—Package configurations
- H10W90/701—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts
- H10W90/721—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bump connectors
- H10W90/724—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bump connectors between a chip and a stacked insulating package substrate, interposer or RDL
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
(a) 発明の技術分野
本発明は半導体素子やその他の発熱素子等の回
路素子が搭載される沸騰冷却型回路基板に関す
る。
路素子が搭載される沸騰冷却型回路基板に関す
る。
(b) 技術の背景
周知のように、半導体素子はIC、LSIとなつて
著しく高密度化、高集積化されてきたが、そのた
め、半導体素子はその集積度に比例して単位面積
当たりの発熱量が増加してきた。また、同じ集積
度の半導体素子であつても、高速動作する型式の
半導体素子は、電流を多く消費して発生熱量が大
きい傾向にある。例えば、パイポーラ型素子はモ
ス型素子よりも発熱量が大きくなる。更に、抵抗
素子なども小型化して単位面積当たりの発生熱量
が増加している。
著しく高密度化、高集積化されてきたが、そのた
め、半導体素子はその集積度に比例して単位面積
当たりの発熱量が増加してきた。また、同じ集積
度の半導体素子であつても、高速動作する型式の
半導体素子は、電流を多く消費して発生熱量が大
きい傾向にある。例えば、パイポーラ型素子はモ
ス型素子よりも発熱量が大きくなる。更に、抵抗
素子なども小型化して単位面積当たりの発生熱量
が増加している。
このような電子回路において、従前からも半導
体素子やその他の回路素子、並びにその実装回路
基板の発生熱を放散して冷却する手段が考えられ
ており、例えば強制的に空気を送り込む強制空冷
法がある。この冷却の必要な理由は、例えばシリ
コン素子の場合には85℃以上に加熱されると、素
子の特性が不安定になり、更には熱暴走して、素
子が破壊されて動作が不能になるからである。し
かし、空冷には限界があつて、半導体素子の高集
積化と共に１ワツト／cm2以上の発熱量がある半導
体素子には適用が困難である。
体素子やその他の回路素子、並びにその実装回路
基板の発生熱を放散して冷却する手段が考えられ
ており、例えば強制的に空気を送り込む強制空冷
法がある。この冷却の必要な理由は、例えばシリ
コン素子の場合には85℃以上に加熱されると、素
子の特性が不安定になり、更には熱暴走して、素
子が破壊されて動作が不能になるからである。し
かし、空冷には限界があつて、半導体素子の高集
積化と共に１ワツト／cm2以上の発熱量がある半導
体素子には適用が困難である。
一方、効率の良い冷却法として古くから液冷法
が知られているが、半導体素子の液冷は構造が複
雑になるために、従前は余り使用されていなかつ
た。ところが、上記のように、空冷法の限界から
液冷法が注目されはじめ、また、半導体素子も液
冷以外では冷却が不可能な程、高集積化されてき
た。
が知られているが、半導体素子の液冷は構造が複
雑になるために、従前は余り使用されていなかつ
た。ところが、上記のように、空冷法の限界から
液冷法が注目されはじめ、また、半導体素子も液
冷以外では冷却が不可能な程、高集積化されてき
た。
且つ、液冷法には、半導体素子から熱伝導体に
熱を伝導させて、これを冷却する間接冷却法や、
半導体素子に水を流す直接水冷法等があるが、本
発明に係わりのある液冷法は、フレオンのような
沸点の低い冷媒に半導体素子を実装した回路基板
を浸漬し、沸騰循環させて冷却する方式、所謂沸
騰冷却型（方式）であり、その回路基板の実装構
造に関している。
熱を伝導させて、これを冷却する間接冷却法や、
半導体素子に水を流す直接水冷法等があるが、本
発明に係わりのある液冷法は、フレオンのような
沸点の低い冷媒に半導体素子を実装した回路基板
を浸漬し、沸騰循環させて冷却する方式、所謂沸
騰冷却型（方式）であり、その回路基板の実装構
造に関している。
このような沸騰冷却型は液体が蒸発する潜熱を
利用するため、最も冷却効率が良くて、15〜20ワ
ツト／cm2程度の発熱量がある半導体素子にも適用
できる。且つ、最近に開発されたHEMTは液体
窒素（−196℃）の中で、その高速動作が約束さ
れるトランジスタであり、このHEMTにも沸騰
冷却型が応用される。
利用するため、最も冷却効率が良くて、15〜20ワ
ツト／cm2程度の発熱量がある半導体素子にも適用
できる。且つ、最近に開発されたHEMTは液体
窒素（−196℃）の中で、その高速動作が約束さ
れるトランジスタであり、このHEMTにも沸騰
冷却型が応用される。
(c) 従来技術と問題点
第１図は半導体素子を実装した沸騰冷却型電子
回路装置の概要断面図を例示しており、１は回路
基板収容容器、２は冷媒液、３は同容器の空間、
４は冷却器、５は回路基板、６は半導体素子（あ
るいはその他の回路素子）である。このような回
路基板の冷却原理は、まず、回路をスイツチオン
すると半導体素子が発熱して、そのために液温が
上昇し、沸点の低い冷媒（例えば沸点47.6℃のフ
レオン）は沸騰して泡立つ。そうすると、冷媒の
撹拌作用が起こり、又、空間３に蒸発した冷媒は
冷却器４で冷やされて液体に還えり、液中に戻さ
れる。かくして、冷媒の沸点温度以上に半導体素
子が昇温されるのが抑止されるのである。
回路装置の概要断面図を例示しており、１は回路
基板収容容器、２は冷媒液、３は同容器の空間、
４は冷却器、５は回路基板、６は半導体素子（あ
るいはその他の回路素子）である。このような回
路基板の冷却原理は、まず、回路をスイツチオン
すると半導体素子が発熱して、そのために液温が
上昇し、沸点の低い冷媒（例えば沸点47.6℃のフ
レオン）は沸騰して泡立つ。そうすると、冷媒の
撹拌作用が起こり、又、空間３に蒸発した冷媒は
冷却器４で冷やされて液体に還えり、液中に戻さ
れる。かくして、冷媒の沸点温度以上に半導体素
子が昇温されるのが抑止されるのである。
第２図は１つの回路基板の斜視図を示してお
り、回路基板５はセラミツク製が多く、且つ、高
密度に実装される多数の回路素子は殆んどが半導
体素子６である。第３図は半導体素子６を装着し
た回路基板の部分断面図を示しており、半導体素
子６は通常、電極パツド６ｐによつて回路基板５
に接続されているから、半導体素子６と回路基板
５との間隔は極めて狭く、0.1〜0.3mm程度の間隙
しか設けられていない。
り、回路基板５はセラミツク製が多く、且つ、高
密度に実装される多数の回路素子は殆んどが半導
体素子６である。第３図は半導体素子６を装着し
た回路基板の部分断面図を示しており、半導体素
子６は通常、電極パツド６ｐによつて回路基板５
に接続されているから、半導体素子６と回路基板
５との間隔は極めて狭く、0.1〜0.3mm程度の間隙
しか設けられていない。
一方、泡立つ気泡は0.5mmないし１mmφの大き
さであるため、上記した半導体素子と回路基板と
の対向面の間隙からは泡立つこと（気泡処理）が
できず、この対向面からの冷却は行なわれていな
い。そのため、半導体素子６は表面側からのみ冷
媒が沸騰し泡立つて冷却されており、それでは半
導体素子６の冷却効率は不十分で、冷却効率は半
導体素子の両面が冷却される場合の50％位に過ぎ
ない。
さであるため、上記した半導体素子と回路基板と
の対向面の間隙からは泡立つこと（気泡処理）が
できず、この対向面からの冷却は行なわれていな
い。そのため、半導体素子６は表面側からのみ冷
媒が沸騰し泡立つて冷却されており、それでは半
導体素子６の冷却効率は不十分で、冷却効率は半
導体素子の両面が冷却される場合の50％位に過ぎ
ない。
現在、この片面だけの冷却による発熱量は15ワ
ツト／cm2位に制限されており、それ以上の熱量が
発生しないように設計されている。即ち、それは
回路基板５上に半導体素子６を粗に配置し、又、
半導体素子から15ワツト／cm2以上の発熱がないよ
うに、その高集積化を制限する設計としている。
ツト／cm2位に制限されており、それ以上の熱量が
発生しないように設計されている。即ち、それは
回路基板５上に半導体素子６を粗に配置し、又、
半導体素子から15ワツト／cm2以上の発熱がないよ
うに、その高集積化を制限する設計としている。
(d) 発明の目的
本発明は、このような冷却効率を是正する沸騰
冷却型回路基板を提案するものである。
冷却型回路基板を提案するものである。
(e) 発明の構成
この目的は本発明により回路基板表面の接続端
子と回路素子の裏面側接続端子とが接続パツドの
みを介し間隔をおいて接続される構成において、
接続パツド部分を除いた回路素子裏面に対向する
回路基板面を凹部状にし、かつ凹部における回路
基板には貫通孔を設け、またかかる組合わせ構造
を回路基板が冷媒液面に垂直となるように冷媒液
中に配置し、かつ凹部における回路基板と回路素
子の裏面との間隔及び凹部の回路基板の貫通孔の
大きさが、冷媒中に発生する気泡の直径より大な
る如く選ばれるようにして達成される。
子と回路素子の裏面側接続端子とが接続パツドの
みを介し間隔をおいて接続される構成において、
接続パツド部分を除いた回路素子裏面に対向する
回路基板面を凹部状にし、かつ凹部における回路
基板には貫通孔を設け、またかかる組合わせ構造
を回路基板が冷媒液面に垂直となるように冷媒液
中に配置し、かつ凹部における回路基板と回路素
子の裏面との間隔及び凹部の回路基板の貫通孔の
大きさが、冷媒中に発生する気泡の直径より大な
る如く選ばれるようにして達成される。
(f) 発明の実施例
以下、図面を参照して実施例によつて詳細に説
明する。
明する。
第４図は本発明にかかる実装した回路基板の部
分断面図を示しており、半導体素子６を接続した
電極パツド６ｐ部を除いた、半導体素子６に対向
する回路基板１０の面を凹部１１に形成して、半
導体素子と回路基板との間の間隙を約３mm前後に
してあり、且つ回路基板１０に設けた凹部１１に
多数の２mmφ程度の貫通孔１２を設けている。
分断面図を示しており、半導体素子６を接続した
電極パツド６ｐ部を除いた、半導体素子６に対向
する回路基板１０の面を凹部１１に形成して、半
導体素子と回路基板との間の間隙を約３mm前後に
してあり、且つ回路基板１０に設けた凹部１１に
多数の２mmφ程度の貫通孔１２を設けている。
本例は回路基板１０の厚さが10mm、半導体素子
は厚さ0.5mm、大きさ10mm角程度のものであるが、
図示のような回路基板１０の形状にすると、回路
基板１０に対向した半導体素子６の面からも、泡
立つた気泡（直径0.5〜１mmφ）が素子から分離
されて、凹部１１より貫通孔１２を通つて浮き上
り、冷媒を撹拌し循環させて、素子を冷却させ
る。そうすれば、半導体素子６は背面と対向面の
両面から沸騰撹拌され冷却されることになり、冷
却効率は約２倍になる。
は厚さ0.5mm、大きさ10mm角程度のものであるが、
図示のような回路基板１０の形状にすると、回路
基板１０に対向した半導体素子６の面からも、泡
立つた気泡（直径0.5〜１mmφ）が素子から分離
されて、凹部１１より貫通孔１２を通つて浮き上
り、冷媒を撹拌し循環させて、素子を冷却させ
る。そうすれば、半導体素子６は背面と対向面の
両面から沸騰撹拌され冷却されることになり、冷
却効率は約２倍になる。
凹部１１の間隙は気泡が動ける幅、即ち0.5mm
以上あれば良く、貫通孔１２の直径も同程度以上
あれば気泡が放出される。第５図ａは凹部１１の
平面図で、５個の貫通孔が作成されているが、貫
通孔は円孔だけでなく、同図ｂに示す他の例のよ
うに気泡が通れる許容幅を持つた長方形の貫通孔
１２′、又はその他の形状に形成してもよい。
以上あれば良く、貫通孔１２の直径も同程度以上
あれば気泡が放出される。第５図ａは凹部１１の
平面図で、５個の貫通孔が作成されているが、貫
通孔は円孔だけでなく、同図ｂに示す他の例のよ
うに気泡が通れる許容幅を持つた長方形の貫通孔
１２′、又はその他の形状に形成してもよい。
このような形状の回路基板１０は、グリーンシ
ート（生シート）の工程で予め整形し、それを焼
成して得られる。第６図には本発明にかかる回路
基板１０の実装構造の斜視図を示している。
ート（生シート）の工程で予め整形し、それを焼
成して得られる。第６図には本発明にかかる回路
基板１０の実装構造の斜視図を示している。
(g) 発明の効果
以上の実施例から明らかなように、本発明によ
れば冷媒液の沸騰撹拌による冷却が半導体素子の
両面で生じて、冷却効率が倍化する。実施結果に
よれば、従来構造では発熱量の制限が15ワツト／
cm2であつたのに対し、本発明の構造では35ワツ
ト／cm2まで緩和することができた。
れば冷媒液の沸騰撹拌による冷却が半導体素子の
両面で生じて、冷却効率が倍化する。実施結果に
よれば、従来構造では発熱量の制限が15ワツト／
cm2であつたのに対し、本発明の構造では35ワツ
ト／cm2まで緩和することができた。
従つて、本発明を適用すれば、半導体素子を回
路基板に一層高密度に実装でき、又、半導体素子
自体も更に高集積化できて、電子回路の密度が倍
化され、その性能を著しく向上する効果があるも
のである。
路基板に一層高密度に実装でき、又、半導体素子
自体も更に高集積化できて、電子回路の密度が倍
化され、その性能を著しく向上する効果があるも
のである。
第１図は沸騰冷却型の電子回路装置の概要断面
図、第２図は従来の回路基板の斜視図、第３図は
その部分断面図、第４図は本発明にかかる回路基
板の部分断面図、第５図ａ，ｂはその凹部の平面
図、第６図は本発明にかかる回路基板の斜視図で
ある。 図中、１は回路基板収容容器、２は冷媒液、３
は同容器の空間、４は冷却器、５は従来の回路基
板、６は半導体素子（またはその他の回路素子）、
６ｐは接続パツド、１０は本発明にかかる回路基
板、１１は凹部、１２，１２′は貫通孔を示して
いる。
図、第２図は従来の回路基板の斜視図、第３図は
その部分断面図、第４図は本発明にかかる回路基
板の部分断面図、第５図ａ，ｂはその凹部の平面
図、第６図は本発明にかかる回路基板の斜視図で
ある。 図中、１は回路基板収容容器、２は冷媒液、３
は同容器の空間、４は冷却器、５は従来の回路基
板、６は半導体素子（またはその他の回路素子）、
６ｐは接続パツド、１０は本発明にかかる回路基
板、１１は凹部、１２，１２′は貫通孔を示して
いる。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 回路基板表面の接続端子と回路素子の裏面側
接続端子とが接続パツドのみを介し間隔をおいて
接続される構成において、接続パツド部分を除い
た回路素子裏面に対向する回路基板面を凹部状に
し、かつ凹部における回路基板には貫通孔を設け
たことを特徴とする沸騰冷却型回路基板。 ２ 回路基板表面の接続端子と回路素子の裏面側
接続端子とが接続パツドのみを介し間隔をおいて
接続される構成において、接続パツド部分を除い
た回路素子裏面に対向する回路基板面を凹部状に
し、かつ凹部における回路基板には貫通孔を設
け、かかる組合わせ構造を回路基板が冷媒液面に
垂直となるように冷媒液中に配置し、かつ凹部に
おける回路基板と回路素子の裏面との間隔及び凹
部の回路基板の貫通孔の大きさが、冷媒液中に発
生する気泡の直径より大なる如く選ばれているこ
とを特徴とする沸騰冷却型回路基板の冷媒液中の
配置構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59105889A JPS60249351A (ja) | 1984-05-24 | 1984-05-24 | 沸騰冷却型回路基板と冷媒液中での配置構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59105889A JPS60249351A (ja) | 1984-05-24 | 1984-05-24 | 沸騰冷却型回路基板と冷媒液中での配置構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60249351A JPS60249351A (ja) | 1985-12-10 |
| JPH038587B2 true JPH038587B2 (ja) | 1991-02-06 |
Family
ID=14419483
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59105889A Granted JPS60249351A (ja) | 1984-05-24 | 1984-05-24 | 沸騰冷却型回路基板と冷媒液中での配置構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60249351A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7011221B2 (ja) * | 2018-03-28 | 2022-01-26 | 日本電気株式会社 | 実装基板、電子機器及び素子冷却方法 |
| JP7419994B2 (ja) * | 2020-07-03 | 2024-01-23 | 株式会社オートネットワーク技術研究所 | 電気機器 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS51141462U (ja) * | 1975-05-07 | 1976-11-15 | ||
| JPS52114271A (en) * | 1976-03-22 | 1977-09-24 | Hitachi Ltd | Semiconductor pellet mounting structure for substrate |
| JPS5887836A (ja) * | 1981-11-20 | 1983-05-25 | Hitachi Ltd | 基板およびそれを用いたペレツトボンデイング方法 |
-
1984
- 1984-05-24 JP JP59105889A patent/JPS60249351A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60249351A (ja) | 1985-12-10 |
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